模塊化設(shè)計(jì)在電子測(cè)量與儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

黃源

摘要：電子測(cè)量與儀器是測(cè)控專業(yè)的重要課程。針對(duì)以往該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，結(jié)合專業(yè)實(shí)際情況，提出了模塊化設(shè)計(jì)的改進(jìn)思路，并以計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)為例，闡明了模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電子測(cè)量與儀器；模塊化設(shè)計(jì)；計(jì)數(shù)器

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）01-0260-02

一、引言

電子測(cè)量與儀器課程是測(cè)控相關(guān)專業(yè)的重要課程，主要運(yùn)用電子科學(xué)的原理、方法和設(shè)備對(duì)各種電量及電路元件的特性和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量[1]。使學(xué)生掌握電子測(cè)量的基本概念，測(cè)量誤差理論及數(shù)據(jù)處理方法，掌握基本電參量的測(cè)量原理、方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析方法。

該課程所包含的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生熟悉常用儀器儀表（電壓表、示波器、計(jì)數(shù)器、信號(hào)源等）的使用[2]，掌握儀器儀表工作原理，學(xué)會(huì)利用現(xiàn)有設(shè)備采取正確的測(cè)試方案進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的測(cè)量，能根據(jù)所學(xué)知識(shí)綜合設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的測(cè)量電路。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的不足

以計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)為例，計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)要求了解和掌握通用計(jì)數(shù)器的組成及工作原理和操作方法，掌握頻率比測(cè)量方法和測(cè)量誤差處理方法。在以往的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，直接使用通用計(jì)數(shù)器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。雖然在實(shí)驗(yàn)之前會(huì)向?qū)W生講解相關(guān)測(cè)量原理，但學(xué)生往往只記住了通用計(jì)數(shù)器的操作方法，即如何測(cè)量頻率、周期和頻率比，而對(duì)于通用計(jì)數(shù)器的內(nèi)部工作原理則沒(méi)有結(jié)合理論課上的內(nèi)容進(jìn)行深究。這樣，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣，學(xué)生的認(rèn)識(shí)還只是停留在表面，沒(méi)有自覺(jué)的深入探討工作原理，理論與實(shí)際沒(méi)能結(jié)合到一起。

三、改進(jìn)思路

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以將實(shí)驗(yàn)改成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生技能的提高，思考方法的訓(xùn)練，知識(shí)的綜合運(yùn)用起了很好的作用[3]。如果讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易的通用計(jì)數(shù)器，當(dāng)然會(huì)有一定的改進(jìn)效果。但又有可能讓學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到了調(diào)試細(xì)節(jié)上，而又重新忽視了測(cè)量原理。因此，在細(xì)節(jié)的劃分上要有一個(gè)折中，模塊化設(shè)計(jì)是一個(gè)解決方案。我們重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，制作了實(shí)驗(yàn)板，將通用計(jì)數(shù)器內(nèi)部的主要模塊分離出來(lái)，體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)板上。

計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)頻率的原理框圖如圖1所示，其中，fA為被測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形后變成標(biāo)準(zhǔn)的方波。門(mén)控電路產(chǎn)生門(mén)控信號(hào)，控制閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。閘門(mén)可以用邏輯門(mén)電路中的與門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)，門(mén)控信號(hào)為低電平時(shí)，與門(mén)關(guān)閉，方波信號(hào)不能通過(guò)與門(mén)；門(mén)控信號(hào)為高電平時(shí)與門(mén)打開(kāi)，方波信號(hào)能通過(guò)，此時(shí)要求門(mén)控信號(hào)的頻率要小于方波信號(hào)。門(mén)控信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間為閘門(mén)時(shí)間。閘門(mén)時(shí)間內(nèi)通過(guò)的方波送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái)。計(jì)數(shù)結(jié)果N再除以已知的閘門(mén)時(shí)間即得到fA的頻率。

將圖1所示的原理框圖稍作修改就可以用來(lái)測(cè)量信號(hào)周期。將fA整形后的方波看成門(mén)控信號(hào)，而將原來(lái)的門(mén)控信號(hào)頻率提高并看成被測(cè)信號(hào)fg，此時(shí)fg的頻率要高于fA且fg的周期已知。這樣，在fA的方波高電平持續(xù)期間，fg信號(hào)可以通過(guò)閘門(mén)，計(jì)數(shù)器對(duì)fg進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)結(jié)果N再乘以fg的周期tg即得到高電平持續(xù)的時(shí)間，若高低電平時(shí)間相等，那么fA的周期應(yīng)為N*tg*2。

計(jì)數(shù)器測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)頻率比的原理框圖如圖2所示，fA與fB為不同頻率的兩個(gè)輸入信號(hào)，假設(shè)fA的頻率大于fB的頻率。fA經(jīng)過(guò)放大整形后直接送到閘門(mén)的輸入端，而fB經(jīng)過(guò)放大整形后的信號(hào)作為閘門(mén)信號(hào)輸入。此時(shí)，在fB高電平持續(xù)期間，fA整形后的方波能通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果是fB的半個(gè)周期內(nèi)（假設(shè)fB的正負(fù)半周期相等）通過(guò)的fA的脈沖數(shù)，因而頻率比為計(jì)數(shù)結(jié)果N*2。

根據(jù)以上的分析，測(cè)量電路中的關(guān)鍵模塊為：放大整形電路、閘門(mén)、門(mén)控電路、計(jì)數(shù)器及顯示器。因此，設(shè)計(jì)圖3所示的電路模塊。其中，計(jì)數(shù)器及門(mén)控電路由單片機(jī)構(gòu)成，可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)閘門(mén)信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短。將這幾個(gè)模塊使用PCB電路板實(shí)現(xiàn)，要求學(xué)生根據(jù)測(cè)量原理在這幾個(gè)模塊之間進(jìn)行連線，搭建正確的電路對(duì)信號(hào)的頻率、周期以及頻率比進(jìn)行測(cè)量。并寫(xiě)出計(jì)算表達(dá)式。期間，要求學(xué)生使用示波器對(duì)連線的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的波形進(jìn)行測(cè)量記錄，進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)相應(yīng)的測(cè)量原理。這樣，學(xué)生面對(duì)的是這幾個(gè)抽取出來(lái)的主要模塊，對(duì)通用計(jì)數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)，能夠?qū)⒆⒁饬Ψ旁跍y(cè)量原理上。

四、結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)板在我院2012級(jí)測(cè)控專業(yè)與自動(dòng)化專業(yè)中進(jìn)行了使用，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.將通用計(jì)數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過(guò)若干主要模塊體現(xiàn)出來(lái)，屏蔽了一定細(xì)節(jié)，減少了學(xué)生的重復(fù)勞動(dòng)，有助于學(xué)生將注意力集中到理解測(cè)頻原理上來(lái)；

2.同樣的幾個(gè)模塊，連接方法不同，實(shí)現(xiàn)的測(cè)量目標(biāo)（測(cè)頻、測(cè)周、測(cè)頻率比）也不同，有助于學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，提高動(dòng)手能力；

3.通過(guò)使用示波器測(cè)量各個(gè)連接點(diǎn)的波形，有助于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高電路調(diào)試能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳尚松，郭慶.電子測(cè)量與儀器（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]林占江.電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]張成亮，李衛(wèi)兵，杜玉杰.電子測(cè)量設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（6）.